一种用于研究生物化石带的剖面岩层取样装置的制作方法

本发明属于地质勘探器械技术领域，具体涉及一种用于研究生物化石带的剖面岩层取样装置。

背景技术：

由于寒武系在我国华南、华北所处的相区不同导致建阶的标准不统一，华北寒武纪地层研究起步较早，但依旧采用传统的“三统九阶”的划分方案。华南斜坡深水相寒武纪地层研究已取得了突破性进展，形成了被国际上广为接受的“四统十阶”全球寒武系年代地层划分框架。

华北寒武系属于台地浅水相区，富含polymerid三叶虫化石，是我国传统寒武系研究的经典地区，我国传统寒武系年代地层框架就是以三叶虫生物地层为基础建立起来的。研究人员以江南斜坡带的三叶虫研究成果为基础，讨论我国华南、华北和东北南部区的生物地层和年代地层对比。因此需要对该地区的山体的岩石进行取样研究。

现有技术中的岩石采样装置大多是用于地质勘探，其主要的目的是采集岩石碎屑进行成分分析，例如公开号为cn105888591b的中国发明专利公开了一种地质勘探用深层岩石自动取样装置，属于深层岩石地质勘探技术领域。其技术方案为：一种地质勘探用深层岩石自动取样装置，包括底部设有开口的支撑框架，其中，在所述支撑框架内分别设置动力驱动机构，钻探机构，以及置于所述钻探机构一侧的限位机构。实现对深层岩石自动钻孔和自动上泥浆进行润滑的同时，也实现自动将已经研磨的岩石屑和泥浆一并输送到泥浆进、出口排出。但是要对岩石中的化石进行同时采集，则需要最大程度保证岩石样本的完整性。显然，直接采用地质勘探用的岩石取样装置并不能满足对生物化石带的研究。

技术实现要素：

针对以上存在的技术问题，本发明提供一种用于研究生物化石带的剖面岩层取样装置。

本发明的技术方案为：一种用于研究生物化石带的剖面岩层取样装置，包括底座、升降云梯和设置在升降云梯顶部的箱体，在箱体内搭载有动力驱动机构、钻探机构、取样机构和视觉传感器，底座搭载有与动力驱动机构、钻探机构、取样机构和导航机构电性连接的显示操控器；

动力驱动机构包括驱动电机、电动液压杆、大齿轮、小齿轮、旋转轴承，驱动电机设置在箱体外侧下部，旋转轴承安装在与驱动电机相对的箱体侧壁上，旋转轴承内安装有转盘，小齿轮安装在箱体内底部，并且小齿轮的轴孔与驱动电机的输出轴相配合，大齿轮位于小齿轮上方，并与小齿轮相啮合，大齿轮上设有偏心孔，电动液压杆的近端嵌套在偏心孔内，电动液压杆的远端贯穿转盘延伸至箱体外部，电动液压杆的远端设有内螺纹；

钻探机构包括通过减震加持装置固定在电动液压杆远端的小型电钻；

取样机构包括机械手夹爪、扭转电机、电动滑轨、扭力杆、套筒，电动滑轨设置在箱体的顶部，套筒设置在电动滑轨上，扭转电机固定在套筒后端口上，扭力杆位于套筒内部，且与扭转电机的输出轴相连，机械手夹爪固定在扭力杆的前端；

视觉传感器设置在钻探机构与取样机构之间的箱体前侧上。

进一步地，小型电钻包括中空钻筒，设置在中空钻筒内部的钻轴，以及连接在钻轴前端的钻头，和连接在钻轴后端的马达，中空钻筒的外表面上设有内螺纹。小型电钻体积小，对岩样的破坏度小。

进一步地，减震加持装置包括连接筒、第一限位盘、第二限位盘、第三限位盘，连接筒的内部两端分别设有外螺纹，用于与中空钻筒以及电动液压杆的内螺纹连接，连接筒的内部中心设有预紧缓冲机构，第一限位盘固定穿套在中空钻筒外部，第二限位盘固定穿套在连接筒外部中心位置，第三限位盘固定穿套在电动液压杆外部，第一限位盘与第二限位盘，第二限位盘与第三限位盘之间连接有阻尼弹簧。能够有效减少小型电钻在岩石层进行钻孔时带来的震动，从而影响偏差，也能防止钻头因过分抖动而发生断裂。

进一步地，预紧缓冲机构包括缓冲橡胶半球一、缓冲橡胶半球二和连接弹簧，缓冲橡胶半球一、缓冲橡胶半球二两个球面相对的固定在连接筒中部，连接弹簧连接在缓冲橡胶半球一、缓冲橡胶半球二的内部之间。缓冲橡胶半球一、缓冲橡胶半球二的两个平面端是与小型电钻的中空钻筒后端，以及电动液压杆的前端紧密抵触，可充分旋钮，使其充分螺旋上紧，还能起到防滑防松动的作用，缓冲橡胶半球一、缓冲橡胶半球二的球面相对，可提高缓冲空间，连接弹簧用于起到辅助缓冲以及复位的作用。

进一步地，钻头为麻花钻，钻头的直径为8-10mm，长度为15-20cm。直径过小的钻头在打孔的时候，承受力较差，容易发生断裂，而直径过大的钻头对周围岩层以及取样的岩芯容易产生辐射破坏，影响样本的完整度，不利于生物带的研究。长度过短的钻头采集的样本长度不过，并且样本过短，增加了取样的难度。长度过长的钻头则容易发生断裂。

进一步地，机械手夹爪包括驱动器，以及连接在驱动器下方的弧形夹手一和弧形夹手二。通过弧形夹手一和弧形夹手二对岩样进行加持包裹，可增大与岩样的接触面积，提高取样成功率。

更进一步地，弧形夹手一和弧形夹手二的末端设有齿刀，利用齿刀扎入岩样根部，可减小岩样根部的应力，便于从岩样根部扭断，保证样品的完整性。

进一步地，底座内设有水箱，箱体的侧面设有高压水枪，高压水枪通过水管与高压水枪相连，水管上设有水泵，高压水枪的喷水口是朝向钻头延伸方向，为了在钻孔期间给钻头喷水降温。

本发明的工作方法为：

s1：选取呈现纵向分带的岩石面，将底座移动至该岩石面的底部，通过显示操控器控制升降云梯将箱体送至待取样位置附近，通过视觉传感器反馈至显示操控器上的图像信息，对升降云梯进行微调控，使得钻头抵至待取样岩面，并同时监控钻头的操作情况；

s2：开启小型电钻，马达驱动钻轴带动钻头进行转动，同时电动液压杆以20-40cm/min进给速度匀速前进，钻下第一个孔a，孔深为15-20cm，电动液压杆向后使得钻头退出孔a，驱动电机驱动小齿轮转动，进而带动大齿轮转动，由于电动液压杆搭载在大齿轮的偏心孔位置上，因此钻头会随电动液压杆的偏心转动而进行圆周运动，钻头每逆时针随电动液压杆周向转动90度后便停止周向转动，然后按照上述同样的步骤在岩石上依次钻下第二个孔b、第三个孔c、第四个孔d，其中孔a、孔b、孔c、孔d呈十字分布，用于减小和分散应力，保证岩样的完整性；

s3：钻完孔d后，钻头不退出，驱动电机再次工作，驱动小齿轮和大齿轮转动，钻头在电动液压杆的带动下保持自转的同时以25-35cm/min周向运动速度运动，直至连通孔a至孔d，形成一个内直径为10cm的圆柱体岩样，钻头退出；在钻头钻孔时，高压水枪朝向钻头喷水降温；

s4：显示操控器在视觉传感器的反馈指导下，控制升降云梯垂直下降，直至机械手夹爪对准圆柱体岩样，电动滑轨带动套筒向前移动，将弧形夹手一、弧形夹手二环住圆柱体岩样，驱动器控制弧形夹手一、弧形夹手二收紧，使其末端的齿刀卡住圆柱体岩样的根部，扭转电机正反转驱动扭力杆正反方向扭转，同时电动滑轨带动套筒向后移动，直至圆柱体岩样被取出，以同样的方式在不同高度的带层岩石进行样品的采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的岩层取样装置能够对呈现生物化石带的山体剖面进行精准取样，利用小型电钻在岩石上开凿出圆柱体的岩样，然后再采用机械手夹爪将其取出，相较于直接采用中空钻取样得到的碎屑状样品，本发明能最大程度保证样品的完整性，还能获得较大体积的样本，更加便于研究岩石中的生物化石带。

(2)本发明的升降云梯可保证在不同高度取样，同时搭载视觉传感器对取样过程进行全程监控，并且将画面信息反馈至显示操控器，从而进行全程精准操作；同时视觉传感器还可对山体剖面进行全面扫描，便于整体研究。

(3)本发明的减震加持装置能够有效减少小型电钻在岩石层进行钻孔时带来的震动，从而影响偏差，也能防止钻头因过分抖动而发生断裂。

总之，本发明的岩层取样装置具有灵活性高、适应性强、取样完整性高等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的大齿轮和小齿轮的连接关系示意图；

图3是本发明的旋转轴承与转盘的连接关系示意图；

图4是本发明的弧形夹手一与弧形夹手二合并后的剖视图；

图5是本发明的预紧缓冲机构的结构示意图；

图6是本发明钻孔的顺序图。

其中，1-底座、2-升降云梯、3-箱体、4-视觉传感器、5-显示操控器、6-驱动电机、7-电动液压杆、8-大齿轮、9-小齿轮、10-旋转轴承、11-转盘、12-偏心孔、13-减震加持装置、14-小型电钻、15-机械手夹爪、16-扭转电机、17-电动滑轨、18-扭力杆、19-套筒、20-水箱、21-水泵、22-高压水枪、23-水管、24-中空钻筒、25-钻轴、26-钻头、27-马达、28-连接筒、29-第一限位盘、30-第二限位盘、31-第三限位盘、32-预紧缓冲机构、33-阻尼弹簧、34-驱动器、35-弧形夹手一、36-弧形夹手二、37-齿刀、38-缓冲橡胶半球一、39-缓冲橡胶半球二、40-连接弹簧。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种用于研究生物化石带的剖面岩层取样装置，包括底座1、升降云梯2和设置在升降云梯2顶部的箱体3，在箱体3内搭载有动力驱动机构、钻探机构、取样机构和视觉传感器4，底座1搭载有与动力驱动机构、钻探机构、取样机构和导航机构电性连接的显示操控器5；视觉传感器4设置在钻探机构与取样机构之间的箱体3前侧上。视觉传感器4为市售产品，可选用

如图1所示，动力驱动机构包括驱动电机6、电动液压杆7、大齿轮8、小齿轮9、旋转轴承10，驱动电机6设置在箱体3外侧下部，旋转轴承10安装在与驱动电机6相对的箱体3侧壁上，如图3所示，旋转轴承10内安装有转盘11，小齿轮9安装在箱体3内底部，并且小齿轮9的轴孔与驱动电机6的输出轴相配合，如图2所示，大齿轮8位于小齿轮9上方，并与小齿轮9相啮合，大齿轮8上设有偏心孔12，电动液压杆7的近端嵌套在偏心孔12内，电动液压杆7的远端贯穿转盘11延伸至箱体3外部，电动液压杆7的远端设有内螺纹；

如图1所示，钻探机构包括通过减震加持装置13固定在电动液压杆远端的小型电钻14；减震加持装置13包括连接筒28、第一限位盘29、第二限位盘30、第三限位盘31，连接筒28的内部两端分别设有外螺纹，用于与中空钻筒24以及电动液压杆7的内螺纹连接，连接筒28的内部中心设有起到预紧缓冲作用的橡胶块，第一限位盘29固定穿套在中空钻筒24外部，第二限位盘30固定穿套在连接筒28外部中心位置，第三限位盘31固定穿套在电动液压杆7外部，第一限位盘29与第二限位盘30，第二限位盘30与第三限位盘31之间连接有阻尼弹簧33。能够有效减少小型电钻14在岩石层进行钻孔时带来的震动，从而影响偏差，也能防止钻头26因过分抖动而发生断裂。如图1所示，小型电钻14包括中空钻筒24，设置在中空钻筒24内部的钻轴25，以及连接在钻轴25前端的钻头26，和连接在钻轴25后端的马达27，中空钻筒24的外表面上设有内螺纹。小型电钻14体积小，对岩样的破坏度小。其中，钻头26为麻花钻，钻头26的直径为10mm，长度为20cm。直径过小的钻头26在打孔的时候，承受力较差，容易发生断裂，而直径过大的钻头26对周围岩层以及取样的岩芯容易产生辐射破坏，影响样本的完整度，不利于生物带的研究。长度过短的钻头26采集的样本长度不过，并且样本过短，增加了取样的难度。长度过长的钻头26则容易发生断裂。

如图1所示，取样机构包括机械手夹爪15、扭转电机16、电动滑轨17、扭力杆18、套筒19，电动滑轨17设置在箱体3的顶部，套筒19设置在电动滑轨17上，扭转电机16固定在套筒19后端口上，扭力杆18位于套筒19内部，且与扭转电机16的输出轴相连，机械手夹爪15固定在扭力杆18的前端；机械手夹爪15包括驱动器34，以及连接在驱动器34下方的弧形夹手一35和弧形夹手二36。通过弧形夹手一35和弧形夹手二36对岩样进行加持包裹，可增大与岩样的接触面积，提高取样成功率。如图4所示，弧形夹手一35和弧形夹手二36的末端设有齿刀37，利用齿刀37扎入岩样根部，可减小岩样根部的应力，便于从岩样根部扭断，保证样品的完整性。

如图1所示，底座1内设有水箱20，箱体3的侧面设有高压水枪22，高压水枪22通过水管23与高压水枪22相连，水管23上设有水泵21，高压水枪22的喷水口是朝向钻头26延伸方向，为了在钻孔期间给钻头26喷水降温。

本实施例的工作方法为：

s1：选取呈现纵向分带的岩石面，将底座1移动至该岩石面的底部，通过显示操控器5控制升降云梯2将箱体3送至待取样位置附近，通过视觉传感器4反馈至显示操控器5上的图像信息，对升降云梯2进行微调控，使得钻头26抵至待取样岩面，并同时监控钻头26的操作情况；

s2：开启小型电钻14，马达27驱动钻轴25带动钻头26进行转动，同时电动液压杆7以40cm/min进给速度匀速前进，钻下第一个孔a，孔深为20cm，电动液压杆7向后使得钻头26退出孔a，驱动电机6驱动小齿轮9转动，进而带动大齿轮8转动，由于电动液压杆7搭载在大齿轮8的偏心孔12位置上，因此钻头26会随电动液压杆7的偏心转动而进行圆周运动，钻头26每逆时针随电动液压杆7周向转动90度后便停止周向转动，然后按照上述同样的步骤在岩石上依次钻下第二个孔b、第三个孔c、第四个孔d，其中孔a、孔b、孔c、孔d呈十字分布(如图6所示)，用于减小和分散应力，保证岩样的完整性；

s3：钻完孔d后，钻头26不退出，驱动电机6再次工作，驱动小齿轮9和大齿轮8转动，钻头26在电动液压杆7的带动下保持自转的同时以35cm/min周向运动速度运动，直至连通孔a至孔d，形成一个内直径为10cm的圆柱体岩样，钻头26退出；在钻头26钻孔时，高压水枪22朝向钻头26喷水降温；

s4：显示操控器5在视觉传感器4的反馈指导下，控制升降云梯2垂直下降，直至机械手夹爪15对准圆柱体岩样，电动滑轨17带动套筒19向前移动，将弧形夹手一35、弧形夹手二36环住圆柱体岩样，驱动器34控制弧形夹手一35、弧形夹手二36收紧，使其末端的齿刀37卡住圆柱体岩样的根部，扭转电机16正反转驱动扭力杆18正反方向扭转，同时电动滑轨17带动套筒19向后移动，直至圆柱体岩样被取出，以同样的方式在不同高度的带层岩石进行样品的采集。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

(1)钻头26为麻花钻，钻头26的直径为8mm，长度为15cm。

(2)如图5所示，预紧缓冲机构32包括缓冲橡胶半球一38、缓冲橡胶半球二39和连接弹簧40，缓冲橡胶半球一38、缓冲橡胶半球二39两个球面相对的固定在连接筒28中部，连接弹簧40连接在缓冲橡胶半球一38、缓冲橡胶半球二39的内部之间。缓冲橡胶半球一38、缓冲橡胶半球二39的两个平面端是与小型电钻14的中空钻筒24后端，以及电动液压杆7的前端紧密抵触，可充分旋钮，使其充分螺旋上紧，还能起到防滑防松动的作用，缓冲橡胶半球一38、缓冲橡胶半球二39的球面相对，可提高缓冲空间，连接弹簧40用于起到辅助缓冲以及复位的作用。

(3)s2中电动液压杆7以20cm/min进给速度匀速前进。

(4)s3中钻头26在电动液压杆7的带动下保持自转的同时以25cm/min周向运动速度运动，直至连通孔a至孔d。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

(1)钻头26为麻花钻，钻头26的直径为9mm，长度为17cm。

(2)s2中电动液压杆7以30cm/min进给速度匀速前进。

(3)s3中钻头26在电动液压杆7的带动下保持自转的同时以30cm/min周向运动速度运动，直至连通孔a至孔d。

尽管已参照其具体实施方案描述和阐明了本发明，但本领域技术人员会认识到，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对其作出各种改变、修改和取代。因此，本发明意在仅受下列权利要求的范围限制且这些权利要求应在合理的程度上尽可能广义地解释。